3)
3.3. Kết cấu và bộ phận phính
3.3.1.Cơ cấu phanh trước
Đặc điểm kết cấu các chi tiết và bộ phận chính:
1 5 2 4 15 ECU 12 6 7 8 13 3 14 9 10 11
21 A A 4 5 6 24 3 1 2 I 7 8 9 62 A - A 13 320 15 14
Hình 3. 6 Kết cấu đĩa phanh có xẽ rãnh thông gió.
1 Má phanh 9 Ống dầu
2 Nắp chặn 10 Bu long khóa
3 Vỏ bộ xilanh thắng 11 Kẹp đỡ xilanh thắng
4 Tấm chắn 12 Đệm cao su làm kín
5 Bu lông giữ 13 Đĩa phanh
6 Vòng chặn dầu 14 Lỗ kiểm tra má phanh
7 Nắp chụp chắn bụi 15 Lỗ tản nhiệt đĩa phanh
8 Vít xả khí
22
Hệ thống phanh chính (phanh chân): Phanh trước và phanh sau là phanh đĩa điều khiển bằng thuỷ lực trợ lực chân không, có sử dụng hệ thống chống hãm cứng ABS.
c) J1 2 J 3 J a) b) P P P 3 2 1
Hình 3. 8 Biến dạng đàn hồi của vòng làm kín.
a - Biến dạng của vòng làm kín tương ứng với các khe hở J1, J2, J3 khác nhau và áp suất p
bằng nhau.
b, c - Trạng thái chưa làm việc và đang chịu áp suất; 1- Piston; 2- Vòng làm kín; 3- Xilanh. 3.3.2.Cơ cấu phanh sau:
Phanh sau là phanh đĩa điều khiển bằng thuỷ lực trợ lực chân không, có sử dụng hệ thống chống hãm cứng ABS.
Phanh dừng (phanh tay): phanh cơ khí tác dụng lên bánh sau.
3.3.3.Xy lanh chính:
Là loại xy lanh kép được thiết kế sao cho nếu một mạch dầu bị hỏng thì mạch dầu khác vẫn tiếp tục làm việc nhằm cung cấp một lượng dầu tối thiểu để phanh xe. Đây là một trong những thiết bị an toàn nhất của xe.
Ở vị trí chưa làm việc, các piston bị đẩy về vị trí ban đầu bởi các lò xo hồi vị, các khoang phía trước piston được nối thông với bình chứa qua lỗ cung cấp dầu (6).
Khi phanh piston bị đẩy sang trái ép dầu phía trước piston đi đến xy lanh bánh xe. Khi nhả phanh đột ngột dầu phía sau piston chui qua lỗ bù, bù vào khoảng không gian phía trước đầu piston.
23 1 2 8 4 3 9 7 6 5 10 11 Hình 3. 9 Kết cấu xilanh chính. 1 Lò xo 7 Vòng chặn
2 Lỗ bù dầu 8 Chốt tuỳ
3 Piston 9 Lò xo
4 Nút làm kín 10 Cụm van ngược
5 Bình chứa dầu phanh 11 Cụm van ngược
6 Piston
3.3.4.Các cảm biến
Là 4 cảm biến riêng biệt cho từng bánh xe, nhận và truyền tín hiệu tốc độ của bánh xe về cho khối điều khển điện tử ECU.
Cảm biến tốc độ bánh xe thực chất là một máy phát điện cỡ nhỏ. Cấu tạo của nó gồm:
Rô to: Có dạng vòng răng, được dẫn động quay từ trục bánh xe hay trục truyền lực nào đó.
24
Hình 3. 10 Cảm biến tốc độ bánh xe trước.
Hình 3. 11 Cảm biến tốc độ bánh xe sau.
Bộ cảm biến làm việc như sau:
– Khi mỗi răng của vòng răng đi ngang qua nam châm thì từ thông qua cuộn dây sẽ tăng lên và ngược lại, khi răng đã đi qua thì từ thông sẽ giảm đi. Sự thay đổi từ thông này sẽ tạo ra một suất điện động thay đổi trong cuộn dây và truyền tín hiệu này đến bộ điều khiển điện tử.
– Bộ điều khiển điện tử sử dụng tín hiệu là tần số của điện áp này như một đại lượng đo tốc độ bánh xe. Bộ điều khiển điện tử kiểm tra tần số truyền về của tất cả các cảm biến và kích hoạt hệ thống điều khiển chống hãm cứng nếu một hoặc một số cảm biến cho biết bánh xe có khả năng bị hãm cứng.
– Tần số và độ lớn của tín hiệu tỷ lệ thuận với tốc độ bánh xe. Khi tốc độ của bánh xe tăng lên thì tần số và độ lớn của tín hiệu cũng thay đổi theo và ngược lại.
25
Hình 3. 12 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của cảm biến
3.3.5.Khối điều khiển điện tử ECU.
ECU là não bộ, trung tâm điều khiển của hệ thống, gồm hai bộ vi xử lý và các mạch khác cần thiết cho hoạt động của nó.
ECU nhận biết được tốc độ quay của bánh xe, cũng như tốc độ chuyển động tịnh tiến của xe nhờ tín hiệu truyền về từ các cảm biến tốc độ bánh xe. Trong khi phanh sự giảm tốc độ xe tùy theo lực đạp phanh, tốc độ xe lúc phanh, và điều kiện mặt đường. ECU giám sát điều kiện trượt giữa bánh xe và mặt đường nhờ bộ kiểm tra sự thay đổi tốc độ bánh xe trong khi phanh. Nó xử lý và phát tín hiệu điều khiển cho khối thuỷ lực cung cấp những giá trị áp suất tốt nhất trong xi lanh bánh xe để điều chỉnh tốc độ bánh xe, duy trì lực phanh lớn nhất từ 10 ÷ 30% tỷ lệ trượt.
3.4.Bộ phân phối lực phanh điện tử (EBD).
Chức năng EBD cho phép kiểm soát nhạy hơn các bánh xe sau. Phân phối lực phanh điện tử cho phép giảm áp lực phanh cho phanh của bánh sau phụ thuộc vào sự trượt của bánh xe này. Điều này cải thiện tình trạng ổn định khi lái so với hệ thống truyền động.
3.5.Trợ lực phanh của Vios
Trợ lực phanh xe Toyota Vios dùng là loại trợ lực chân không. Nó là bộ phận rất quan trọng, giúp người lái giảm lực đạp lên bàn đạp mà hiệu quả phanh vẫn cao. Trong bầu
26
trợ lực có các piston và van dùng để điều khiển sự làm việc của hệ thống trợ lực và đảm bảo sự tỉ lệ giữa lực đạp và lực phanh.
Hình 3. 13 Bầu trợ lực chân không.
Nguyên lý làm việc của bộ trợ lực chân không:
Bầu trợ lực chân không có hai khoang A và B được phân cách bởi piston (hoặc màng).
Van chân không, làm nhiệm vụ: Nối thông hai khoang A và B khi nhả phanh và cắt
đường thông giữa chúng khi đạp phanh.
Van không khí, làm nhiệm vụ: cắt đường thông của khoang A với khí quyển khi
nhả phanh và mở đường thông của khoang A khi đạp phanh.
Vòng cao su là cơ cấu tỷ lệ: Làm nhiệm vụ đảm bảo sự tỷ lệ giữa lực đạp và lực
phanh.
Khoang B của bầu trợ lực luôn luôn được nối với đường nạp động cơ qua van một chiều, vì thế thường xuyên có áp suất chân không.
Khi nhả phanh: van chân không mở, do đó khoang A sẽ thông với khoang B qua van
27
Khi phanh: người lái tác dụng lên bàn đạp đẩy cần dịch chuyển sang phải làm van chân
không đóng lại cắt đường thông hai khoang A và B, còn van không khí mở ra cho không
khí qua phần tử lọc đi vào khoang A. Ðộ chênh lệch áp suất giữa hai khoang A và B sẽ tạo nên một áp lực tác dụng lên piston (màng) của bầu trợ lực và qua đó tạo nên một lực phụ hỗ trợ cùng người lái tác dụng lên các piston trong xilanh chính, ép dầu theo các ống dẫn đi đến các xylanh bánh xe để thực hiện quá trình phanh.
Khi lực tác dụng lên piston tăng thì biến dạng của vòng cao su cũng tăng theo làm cho
piston hơi dịch về phía trước so với cần, làm cho van không khí đóng lại, giữ cho độ chênh áp không đổi, tức là lực trợ lực không đổi. Muốn tăng lực phanh, người lái phải tiếp tục đạp mạnh hơn, cần lại dịch chuyển sang phải làm van không khí mở ra cho không khí đi thêm vào khoang A. Ðộ chênh áp tăng lên, vòng cao su biến dạng nhiều hơn làm piston hơi dịch về phía trước so với cần, làm cho van không khí đóng lại đảm bảo cho độ chênh áp hay lực trợ lực không đổi và tỷ lệ với lực đạp. Khi lực phanh đạt cực đại thì van không khí mở ra hoàn toàn và độ chênh áp hay lực trợ lực cũng đạt giá trị cực đại.
Bộ trợ lực chân không có hiệu quả thấp, nên thường được sử dụng trên các ô tô du lịch và tải nhỏ.
28
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN HỆ THỐNG PHANH 4.1.Tính toán hệ thống phanh trên xe TOYOTA VIOS
Các thông số cơ bản dùng để tính toán:
Trọng lượng toàn bộ Ga = 1520 [KG] = 15200[N] Phân bố cầu trước G1 = 820 [KG] = 8200 [N] Phân bố cầu sau G2 = 700 [KG] = 7000 [N] Chiều dài cơ sở Lo = 2550 [mm]
Chiều rộng cơ sở S = 1480 [mm]
4.1.1.Xác định momen phanh yêu cầu:
Mômen phanh cần sinh ra được xác định từ điều kiện đảm bảo hiệu quả phanh lớn nhất, tức sử dụng hết lực bám để tạo lực phanh. Muốn đảm bảo điều kiện đó, lực phanh sinh ra cần phải tỷ lệ thuận với các phản lực tiếp tuyến tác dụng lên bánh xe.
w P v gh P j a G b a P 2 2 Z 2 O 1 Z P 1 O 1 L
Hình 4. 1 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh.
Tải trọng phân bố lên cầu trước và cầu sau: m1, m2.
𝑚1 =𝐺1
𝐺𝑎
𝑚2 =𝐺2
𝐺𝑎
29
G1, G2: Trọng lượng phân bố lên cầu trước và sau.
Ga : Trọng lượng không tải của xe.
a, b : Tọa độ trọng tâm theo chiều dọc.
Theo sơ đồ trên hình 4.1 ta quy ước chiều dương là chiều ngược chiều kim đồng hồ. Lấy mô men tại điểm O1 ta có:
𝐺2. 𝑎 − 𝑍2. 𝐿𝑂 = 0 ⟹ 𝑍2 =𝐺𝑎. 𝑎 𝐿𝑂 Mặt khác 𝑍2 = 𝐺2 ⟹ 𝑚2 =𝐺2 𝐺𝑎 = 𝐺2 𝐺𝑎 = 𝐺𝑎. 𝑎 𝐿𝑂. 𝐺𝑎 = 𝑎 𝐿𝑜 ⟹ 𝑎 = 𝑚2𝐿𝑜 =𝐺2. 𝐿𝑜 𝐺𝑎
Thay số vào ta được:
𝑎 = 8200.2550
15200 = 1220 (mm) = 1.7(m)
Từ sơ đồ 4.1 ta thấy:
𝑎 + 𝑏 = 𝐿𝑜
⟹ 𝑏 = 𝐿𝑜 − 𝑎 = 2550 − 1170 = 1380 (𝑚𝑚) = 1.38(𝑚)
Suy ra ta viết được phương trình cân bằng mô men như sau:
a) Đối với cầu trước:
𝑍2. 𝐿𝑂 − 𝐺𝑎. 𝑎 + 𝑃𝑗. ℎ𝑔 = 0
b) Đối với cầu sau:
𝑍1. 𝐿𝑂 − 𝐺𝑎. 𝑏 + 𝑃𝑗. ℎ𝑔 = 0 Mặt khác ta có: 𝑃𝐽 = 𝐽𝑝. 𝑚𝑎 = 𝐽𝑝 ∙𝐺𝑎 𝑔 Trong đó: Pj: Lực quán tính.
30
ma: Khối lượng của ôtô
g: Gia tốc trọng trường Thay vào và ta được:
𝑍1 =𝐺𝑎 𝐿𝑜(𝑏 +𝑗𝑝. ℎ𝑔 𝑔 ) 𝑍2 =𝐺𝑎 𝐿𝑜(𝑏 +𝑗𝑝. ℎ𝑔 𝑔 )
Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước với mặt đường:
𝑃𝑝1 = 𝜑 ∙𝑍1 2
Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau với mặt đường:
𝑃𝑝2 = 𝜑 ∙𝑍2 2
Trong đó: φ là hệ số bám giữa lốp và mặt đường. Ta được lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước với mặt đường là:
𝑃𝑝1 = 𝜑 ∙ 𝐺𝑎
2. 𝐿𝑂(𝑏 +𝑗𝑝. ℎ𝑔
𝑔 ) = 𝜑 ∙ 𝐺𝑎
2. 𝐿𝑂(𝑏 + 𝜑. ℎ𝑔)
Ta được lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau với mặt đường là:
𝑃𝑝2 = 𝜑 ∙ 𝐺𝑎
2. 𝐿𝑂(𝑏 +𝑗𝑝. ℎ𝑔
𝑔 ) = 𝜑 ∙ 𝐺𝑎
2. 𝐿𝑂(𝑏 + 𝜑. ℎ𝑔)
Mômen phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước:
𝑀𝑃1 = 𝑃𝑃2. 𝑟𝑏𝑥 𝑀𝑃1 = 𝜑𝑧1
2 𝑟𝑏𝑥 = 𝐺𝑎. 𝜑
2. 𝐿𝑂 (𝑏 + 𝜑. ℎ𝑔). 𝑟𝑏𝑥
Mômen phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau:
𝑀𝑃2 = 𝑃𝑃2. 𝑟𝑏𝑥 𝑀𝑃2 = 𝜑𝑧2
2 𝑟𝑏𝑥 = 𝐺𝑎. 𝜑
31 Trong đó:
- Mp1: Mômen phanh mỗi bánh xe ở cầu trước.
- P1: Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước với mặt đường.
- Mp2: Mômen phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau.
- P2: Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau với mặt đường.
- Z1: Phản lực của mặt đường tác dụng lên cầu trước.
- Z2: Phản lực của mặt đường tác dụng lên cầu sau.
- rbx: Bán kính làm việc của bánh xe. Theo tư liệu trong môn lý thuyết ô tô, ta có:
𝑟𝑏𝑥 = 𝜆. 𝑟𝑜 [𝑚𝑚]
r0: Bán kính thiết kế của bánh xe. r0 = (H +
2
d
) 25,4 [mm]. Trong đó:
H: Bề rộng của lốp, [inch]. Trong đó, 1 inch = 25.4mm;
d: Đường kính vành bánh xe, [inch].
λ: Hệ số kể đến sự biến dạng của lốp, gồm:
λ = 0,93 ÷ 0,935 (cho lốp có áp suất thấp).
λ = 0,945 ÷ 0,95 (cho lốp có áp suất cao). Ta có kí hiệu lốp: 185/60R15.
Đối với xe du lịch ta chọn lốp có áp suất thấp λ = 0.93 ÷ 0.935. Chọn λ = 0,93 Do vậy: 𝑟𝑏𝑥 = (H + 2 d ∙ 25,4) . 𝜆 𝑟𝑏𝑥 = (185 +15 2 ∙ 25,4) . 0,93 = 349,215 [𝑚𝑚].
32
hg = 0,5.S; với S = 1480 [mm]. Vậy: hg = 0,5.1480 = 735 [mm]. Thay các giá trị vào các công thức ta được:
Mô men phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước Mp1:
𝑀𝑝1 =15200𝜑
2. 2,55 ∙ (1,3 + 𝜑. 0,735). 0,349215
𝑀𝑝1 = 1436,301𝜑 + 764,9863. 𝜑2
Mô men phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau Mφ2:
𝑀𝑝2 = 1217,33𝜑 − 764,9863. 𝜑2
Từ hai phương trình trên, ta thấy mô men phanh của các bánh xe ở cầu trước và cầu sau là một hàm số bậc hai theo hệ số bám φ.
Ta có quan hệ giữa hệ số bám φ và độ trượt λ theo đồ thị:
Hình 4. 2 Sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy theo độ trượt tương đối λ của bánh xe.
Để lập được mối quan hệ giữa mô men phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước và cầu sau theo độ trượt λ, dựa vào đồ thị giả sử các giá trị của hệ số bám dọc φx theo độ trượt tương đối λ như trong bảng sau:
33
Quan hệ giữa hệ số bám dọc φx và độ trượt λ.
λ 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% φx 0 0.61 0.72 0.715 0.68 0.64 0.62 0.6 0.585 0.57 0.53
Ứng với các giá trị của φx ta xác định được mô men phanh Mp trên các cầu như trong bảng, và đồ thị biểu diễn quan hệ giữa mô men phanh Mp và độ trượt λ khi phanh như hình.
Quan hệ giữa mô men phanh Mp và độ trượt λ
λ 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% φx 0 0.61 0.72 0.715 0.68 0.64 0.62 0.6 0.585 0.57 0.53 Mp1(N.m ) 0 1160.8 1430.7 1418.0 1330. 4 1232. 6 1184.6 1137.2 1102. 0 1067. 2 976.1 Mp2(N.m) 0 458.1 480.1 479.5 474.3 466.0 460.9 455.24 450.5 7 445.5 6 430.5
Hình 4. 3 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa mô men phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước và cầu sau theo độ trượt λ.
4.1.2.Xác định mô men phanh do các cơ cấu phanh sinh ra A) Đối với cơ cấu phanh trước. A) Đối với cơ cấu phanh trước.
34
Giả sử rằng có lực P tác dụng lên vòng ma sát với bán kính trong là R1 và bán kính ngoài là R2. Lúc đó áp suất trên vòng ma sát sẽ là:
𝑞 =𝑃
𝐹 =
𝑃 𝜋(𝑅22− 𝑅12)
Góc ôm α =70o nên áp suất làm việc thực tế của má phanh là:
𝑞 = 𝑃
𝐹 =
𝑃. 360𝑂 𝜋(𝑅22− 𝑅12). 70𝑂
Trên vòng ma sát ta xét một vòng phần tử nằm cách tâm O bán kính R với chiều dày dR. Mômen lực ma sát tác dụng trên vòng phần tử đó là:
𝑑𝑀𝑚𝑠 = 𝜇. 𝑞 ∙ 70 𝑜 180𝑜 . 𝜋. 𝑅. 𝑑𝑅. 𝑅 = 70 𝑜 180𝑜 ∙ 𝜇. 𝑞. 𝜋. 𝑅2. 𝑑𝑅 R1 70° R2
Hình 3. 14 Bán kính trung bình của đĩa ma sát
Mômen các lực ma sát tác dụng trên toàn vòng ma sát là:
𝑀𝑝𝑡 = 𝜇. 𝑃 ∙2 3∙
𝑅23− 𝑅13 𝑅22− 𝑅22
Trong đó: là hệ số ma sát. = 0,35. Trong quá trình khảo sát ta đo được:
R1: bán kính trong của má phanh đĩa. R1 = 0,075 [m]
R2: bán kính ngoài của má phanh đĩa. R2 = 0,143[m]
P: lực ép lên đĩa má phanh [N] Xác định lực ép lên đĩa má phanh:
𝑃 =π. 𝑑
2
35 Với:
i: số lượng xi lanh, i = 1.
d: đường kính xi lanh bánh xe, d =62 [mm ] .
p: áp suất dầu, [N/m2].
Vậy mô men phanh mà cơ cấu phanh trước có thể sinh ra là:
𝑀𝑝𝑡 = 𝜇 ∙π. 𝑑 2 4 ∙ 𝑝. 𝑖 ∙ 2 3∙ 𝑅23− 𝑅13 𝑅22− 𝑅22 𝑀𝑝𝑡 = 0,35 ∙ 3,14. 0,062 2 4 𝑝. 1 ∙